Schutzsysteme für elektrische Energieversorgungsnetze mit dezentralen Stromerzeugungsanlagen: Berichte aus der Elektrotechnik

Die elektrischen Energieversorgungssysteme befinden sich in einem tief greifenden Strukturwandel. Das bisherige elektrische Energieversorgungssystem ist durch große - im drei- bis vierstelligen Megawattbereich - Kraftwerkseinheiten gekennzeichnet, die in das Übertragungsnetz einspeisen. Die weltweite Verknappung der fossilen Energievorräte, die Befürchtungen bezüglich der Kernkraft und die Vorgaben zur Verringerung der CO2-Emissionen sind die Auslöser einer vermehrten Einspeisung von dezentralen Stromerzeugungsanlagen auf Basis erneuerbarer Energiequellen in die Verteilnetze. Es entwickelt sich eine dezentrale Stromerzeugungsstruktur auf Verteilnetzebene. Aufgrund der Dargebotsabhängigkeit erneuerbarer Energiequellen, zeigt die dezentrale Stromerzeugungsstruktur einen hohen Diversifizierungsgrad der elektrischen Energieeinspeisungen in methodischer, örtlicher und zeitlicher Hinsicht. Der Strukturwandel verändert das stationäre sowie transiente Systemverhalten im Normalbetrieb und während Gefährdungszuständen der Energieversorgungsnetze grundlegend. Die Schutztechnik ist wegen ihrer sicherheitstechnischen Relevanz für Mensch und Material ein unverzichtbarer Bestandteil elektrischer Energieversorgungssysteme. Sie hat die Aufgabe, Gefährdungszustände richtig zu erkennen und so schnell wie möglich korrektive Maßnahmen einzuleiten. Die strukturellen Veränderungen der Energieversorgungssysteme durch dezentrale Stromerzeugungsanlagen haben Folgen für die Schutzsysteme, die zurzeit nur unzureichend beherrscht werden. Deshalb sind neue Schutzkonzepte erforderlich, die der zukünftigen Energieversorgungsstruktur gerecht werden und so einen wesentlichen Beitrag für den Fortbestand gewohnt hoher Versorgungszuverlässigkeit in der elektrischen Energieversorgung leisten. In dieser Arbeit werden dazu die Schwachstellen der Schutzsysteme in dezentralen Stromerzeugungsstrukturen eindeutig identifiziert und darauf aufbauend neue Schutzkonzepte entwickelt. Das Ziel einer eindeutigen und umfassenden Schwachstellenidentifikation, wird durch drei parallele Ansätze erreicht: (1) Ein wissensbasierter Ansatz führt zu einer strukturierten Zusammenstellung der Schwachstellen, die sich aus den Teilaspekten "Strukturveränderungen auf Verteilnetzebene", "Folgen für den Verteilnetzbetrieb" und "Folgen für das Schutzsystem" logisch entwickeln. (2) Ein analytischer Ansatz umfasst die mathematisch-analytische Untersuchung der Folgen für das Schutzsystem anhand einfacher Netztopologien. Dazu werden die Schutzkriterien einheitlich in die Impedanzebene transformiert. (3) Anwendungsnahe Aussagen über das Schutzverhalten in komplexen Netztopologien werden mit Hilfe eines simulativen Ansatzes mit sogenannten "Laufenden Fehlern" gewonnen. Um der sicherheitstechnischen Relevanz der Schutztechnik gerecht zu werden, sind die neuen Schutzkonzepte überprüfbar und robust. Sie basieren nur auf lokal verfügbaren Informationen und Messgrößen. Da die Errichtung energietechnischer Anlagen mit hohen Investitionskosten und langen Lebenszyklen verbunden sind, werden sowohl operative als auch strategische Lösungen betrachtet.